khiển nhiệt độ
Theo phương pháp này [18], kim loại lỏng được làm nguội đến nhiệt độ quy định và được điều chỉnh cùng lúc với quá trình khuấy đảo bằng bộ phận khuấy có điều khiển nhiệt độ. Bộ phận khuấy được nhúng vào trong khối kim loại lỏng trong bồn, thiết bị bơm vận chuyển có thể rút kim loại ở trạng thái bán lỏng chứa trong bồn và nhờ vào các rãnh chia, thiết bị vận chuyển có thể tách kim loại bán lỏng thành hai loại: kim loại bán lỏng có độ nhớt lớn và kim loại bán lỏng có độ nhớt nhỏ hơn.
Phương pháp này tạo ra trạng thái bán lỏng có nhiều hạt mầm tinh thể mịn. Trong quá trình khuấy thì nhiệt độ nung là một yếu tố quan trọng quyết định đến chất lượng khuấy cũng như độ mịn của hạt, do đó phương pháp này đạt được mức độ tối ưu khi phối hợp giữa nhiệt độ khuấy và thiết bị khuấy, bằng cách cài đặt nhiều khoảng nhiệt độ khác nhau và tiến hành nhiều thí nghiệm chúng ta có thể xác định được điểm không tối ưu của quá trình khuấy tạo vật liệu bán lỏng.
Xét thấy, trong điều kiện hiện có của Việt Nam thì việc ứng dụng xu hướng khuấy đảo cơ là phù hợp và khả thi hơn. Bên cạnh đó, trong phạm vi nghiên cứu của đề tài và khả năng thực hiện được các thực nghiệm và mô hình thực nghiệm trong điều kiện phòng thí nghiệm hiện có, chúng tôi đề xuất chọn phương pháp khuấy đảo cơ theo phương án: Khuấy bằng hai trục lắp nhiều cánh chân vịt (vít không liên tục) quay ngược chiều nhau, hình 4.8, vì các lý do sau :
- Trong điều kiện hiện có với thiết bị thí nghiệm và nồi nấu kim loại nhỏ gọn (mỗi mẻ nấu chỉ được khoảng 8 - 10 kg hợp kim Zn) nên khó có thể bố trí cơ cấu khuấy cồng kềnh.
Hình 4.8. Thiết bị khuấy đảo cơ
- Cánh khuấy mỏ neo kết hợp trục vít xoắn có ưu điểm là có thể hòa tan được phần kim loại bắt đầu đông đặc tại thành nồi khi giảm nhiệt độ, tuy nhiên gây khó khăn thiết kế gia công mô hình cũng như hạn chế không gian thao tác trong không gian chật hẹp như thực tế. Đồng thời mô hình này thực sự không cần thiết nếu ta bắt đầu khuấy ở trạng thái lỏng và múc vật liệu ở trạng thái bán lỏng tại các vị trí tối ưu (vùng được khuấy tốt nhất dự kiến).
- Cánh khuấy được thiết kế theo kiểu nghiêng xoắn nhằm khuấy đảo kim loại theo hai chiều, một chiều làm cho dòng kim loại chuyển động xoay quanh trục, một chiều đảo dòng kim loại từ bên trên xuống đáy nồi.
- Trục khuấy được bố trí nhiều cánh khuấy gián đoạn làm tăng khả năng chảy rối của dòng kim loại, tạo lực va chạm đập mạnh tăng khả năng phá vỡ liên kết làm nhỏ hạt.
- Cơ cấu khuấy được bố trí khuấy song song quay ngược chiều nhau để tránh trường hợp chuyển động đồng tốc của dòng kim loại và bộ phận khuấy.
Thông số chính của thiết bị: Công suất moter điện: 1HP. Tốc độ 89v/p. Chiều dài cánh khuấy 52 mm.
4.3. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO PROTECTOR NỀN Zn BẰNG
PHƯƠNG PHÁP ĐÚC BÁN LỎNG CÓ ĐIỀU KHIỂN KẾT
TINH
Do kim loại ở trạng thái sệt nên quá trình đông đặc diễn ra rất nhanh, vì vậy hợp kim dùng để đúc kết tinh có điều khiển ở trạng thái bán lỏng cần có các tính chất sau :
+ Khoảng nhiệt độ kết tinh phải phù hợp, nếu khoảng nhiệt độ kết tinh ngắn, kim loại đông đặc rất nhanh, rất khó thực hiện quá trình đúc. Ngược lại, nếu khoảng kết tinh quá dài, quá trình đông đặc diễn ra chậm, hạt sẽ phát triển trở lại và năng suất thấp.
+ Kim loại phải có tính dẻo cao để tránh bị rạn nứt khi đúc tạo hình.
+ So với vật liệu đúc áp lực cao, thì vật liệu đúc bán lỏng có khoảng kết tinh rộng hơn để đảm bảo quá trình đúc tạo hình được khi vật liệu ở trạng thái sệt.
4.3.1. Tính toán các thông số của quá trình khuấy đảo cơ
4.3.1.1. Nhiệt độ khuấy của hợp kim bán lỏng
Nhiệt độ của hợp kim ở trạng thái bán lỏng quyết định thành phần pha rắn, lỏng trong kim loại cũng như độ nhớt của kim loại, công suất của hệ thống khuấy và hiệu quả của quá trình khuấy.
Nếu nhiệt độ của kim loại ở trạng thái bán lỏng cao gần sát đường lỏng lúc này độ nhớt thấp, liên kết giữa các hạt tinh thể yếu và dễ dàng bị phá vỡ, cho nên các hạt dễ khuếch tán đều hiệu quả khuấy cao. Tuy nhiên, ở nhiệt độ biên giới hạt kém bền, khi ngưng khuấy các hạt sẽ nhanh chóng phát triển trở lại. Ngược lại, nếu
nhiệt độ quá thấp (gần đường đặc) liên kết giữa các hạt rất bền, công suất khuấy rất lớn, khả năng khuấy đảo đều kém, khả năng tán nhỏ hạt thấp dẫn đến hiệu quả khuấy thấp. Nhiệt độ khuấy bán lỏng được tính toán phù hợp, nếu nhiệt độ khuấy quá thấp, khí bị trộn lẫn trong quá trình khuấy không thoát ra được tạo ra rỗ xốp sẽ làm giảm chất lượng protector.
Tính toán nhiệt độ khuấy của hợp kim Zn:
Xét giản đồ Al – Zn [32], hình 4.9 ta thấy:
Hình 4.9. Giản đồ trạng thái của hợp kim Zn-Al (ASM handbook, vol 3) Khối lượng, % L+α (α+β)+ β (α+β) L α β L+β 4120C N h i ệt đ ộ , 0 C 97 Al Zn
Nhiệt độ nóng chảy của Zn với 100% khối lượng là 419,580C. Tại điểm Zn với Zn là 94%, Al 6% ta có điểm cùng tinh ở nhiệt độ 3810C. Hợp kim Zn ta đã tính toán và chọn có thành phần Zn 97-97,5%, Al 2,5-3% thì nhiệt độ kết tinh TBL sẽ là khoảng giữa của 3810C đến 4120C:
TBL= 381 + 0,5. (412 - 381) ≈ 3970C
Như vậy nhiệt độ khuấy bán lỏng thực tế sẽ trong khoảng 412-3970C và khoảng nhiệt độ kết tinh sẽ là Δ = 412 - 381 = 310C. Với khoảng kết tinh rộng như vậy, sẽ thuận lợi cho quá trình điều khiển kết tinh của hợp kim Zn.
Tại 3970C hợp kim là dung dịch rắn của Al trong Zn chiếm một tỷ lệ lớn β. Đây là dung dịch rắn β và một ít dung dịch rắn (α+β). Mục tiêu của công nghệ là làm nhỏ thành phần β. Vì vậy ta chọn nhiệt độ để điều khiển kết tinh ở 3970C là phù hợp.
4.3.1.2. Tốc độ khuấy
Tốc độ khuấy quyết định mức độ chảy rối của dòng kim loại, khả năng phá vỡ liên kết hạt và đảo đều chúng trong môi trường kim loại lỏng, đây là yếu tố chính quyết định kích thước hạt. Nếu tốc độ quá chậm khả năng phá vỡ liên kết và khuấy đảo đều kém, khi đông đặc hạt sẽ to và không đồng đều. Nếu tốc độ khuấy quá nhanh kim loại va đập mạnh văng lên thành hạt tiếp xúc với không khí bị oxy hóa tạo thành oxít bao bọc xung quanh hạt gây khó khăn cho quá trình phá vỡ cấu trúc bên trong. Khi tốc độ khuấy nhanh kim loại sẽ tiếp xúc nhiều với không khí gây dao động nhiệt lớn khó khống chế nhiệt độ theo ý muốn.
Tính toán tốc độ khuấy thực nghiệm:
Để đảm bảo trong quá trình khuấy dòng kim loại không chảy tầng [33], số vòng quay phải thỏa mãn điều kiện là :
30 < ReK < 7*104 (8) Với ReK : chuẩn số Rây-nôn của quá trình khuấy :
2
ReK nd (9)
n : số vòng quay (rad/s hay 1/s) d : đường kính cánh khuấy (m)
: khối lượng riêng chất lỏng (kg/m3)
: độ nhớt của chất lỏng được khuấy (N/m2.s hay Pa.s)
Ta có thể tính được số vòng quay thực nghiệm tối thiếu trong điều kiện khuấy có độ nhớt cao nhất = 60 mPa.s (ở 4200C)
2 30 d n
Theo tính toán về độ nhớt và thiết bị ta có
Độ nhớt lớn nhất của kim loại dự kiến khuấy đảo (ở 4200C) = 60 mPa.s = 60 * 10-3 Pa.s = 60 * 10-3 (N/m2.s)
Đường kính cánh khuấy
d = 52 (mm) = 0,052 (m) = 7140 (kg/m3)
Thay vào bất phương trình trên, ta được : n > 0,093 (rad/s)
Hay quy ra số vòng quay trên phút : 0 , 0 9 3 * 6 0 8 9 / 2 . n v p nvp > 89 vòng quay trên phút (v/p)
4.3.1.3. Thời gian khuấy
Thời gian khuấy là khoảng thời gian để kim loại phá vỡ liên kết và khuấy đảo đều toàn bộ kim loại chứa trong nồi. Nếu thời gian quá ngắn sẽ không đủ để bẻ gãy số lượng lớn các liên kết và không đủ để khuấy đều được toàn bộ kim loại chứa trong nồi. Nếu thời gian khuấy quá dài kim lượng kim loại tiếp xúc với không khí bị oxy hóa nhiều gây ảnh hưởng xấu và làm giảm năng suất.
Thời gian khuấy của thiết bị thực nghiệm được chọn theo quá trình thực nghiệm, từ 4-6 phút.
4.3.1.4. Phương pháp khuấy, dạng cánh khuấy
Phương pháp khuấy đảo và dạng cánh khuấy quyết định chế độ khuấy trộn và chất lượng khuấy trộn. Mô hình thực nghiệm, hình 4.10, được thiết kế theo kiểu cánh khuấy dạng vít nghiêng xoắn không liên tục (có thể xem là dạng cánh chân vịt suy biến) nhằm khuấy đảo kim loại theo 2 chiều, một chiều làm cho dòng kim loại chuyển động xoay quanh trục, một chiều đảo dòng kim loại từ bên trên xuống đáy nồi. Trục khuấy được bố trí nhiều cánh khuấy gián đoạn làm tăng khả năng chảy rối của dòng kim loại, tạo lực va đập mạnh tăng khả năng phá vỡ liên kết làm nhỏ hạt. Hai trục khuấy song song quay ngược chiều nhau để tránh trường hợp chuyển động đồng tốc của dòng kim loại và bộ phận khuấy.
Quá trình khuấy phải được bắt đầu tại nhiệt độ đường lỏng và hạ thấp dần xuống nhiệt độ mong muốn, nhằm giảm lực khởi động ban đầu và ngăn cản sự liên kết hạt xảy ra trong quá trình đông đặc.
Lựa chọn nồi nấu và dạng cánh khuấy
Dựa trên kích thước thiết bị có sẵn, đề tài chọn nồi nấu graphit dạng hình nón cụt, dung tích 7 lít và bố trí các cánh khuấy dày đặc tận dụng khuấy tối đa vùng kim loại lỏng cần khuấy đảo, các cánh khuấy xen kẽ nhau có góc nghiêng từ 70- 100 để có thể vừa khuấy đảo vừa đánh tơi các phần tử tích tụ trong quá trình đông đặc.
4.3.2. Một số dạng protector thông dụng trên thế giới
Các protector được chế tạo nhiều hình dạng khác nhau: protector không có cốt thép với các lỗ lắp ráp, có các lỗ lắp ráp và chốt, có các thanh tiếp xúc lắp ráp [8, 10]. Hình 4.11.
Tất cả protector nền Zn, Al, Mg đều có hình dạng thanh. Loại protector Mg còn có hình dạng nửa hình trụ. Các protector được gia công bằng phương pháp đúc khuôn.
Hình 4.11. Hình dạng một số loại protector thông dụng
4.3.3. Thiết kế protector nền Zn bán lỏng
Căn cứ vào phạm vi ứng dụng của protector Zn và dạng tạo hình phổ biến của protector ứng dụng bảo vệ tàu biển [10], chế tạo protector Zn loại có cốt thép lá với các lỗ lắp ráp ở 2 đầu thanh thép. Protector có dạng hình thanh, thang trụ cân. Hình dạng này thuận lợi cho việc tạo hình đúc bán lỏng, dễ điền đầy khuôn và lấy mẫu đúc ra khỏi khuôn dễ dàng. Đồng thời việc lắp ráp trên thiết bị cần bảo vệ như thân tàu thủy, đường ống xăng dầu thuận lợi, dễ dàng bằng cả phương pháp gắn bằng bulong hoặc hàn và giảm lực cản của tàu thủy khi di chuyển trong nước. Hình 4.12.
TTNĐVN - ĐHBK
Zn PROTECTOR
Kích thước chính của protector như sau: Chiều dài tổng thể cả cốt thép L= 510mm. Chiều dài phần protector mặt đáy l1 = 310 mm Chiều dài phần protector mặt trên l2 = 290 mm Chiều rộng protector mặt đáy d1 = 70 mm. Chiều rộng protector mặt trên d2 = 50 mm. Chiều cao H= 50 mm.
Khối lượng của protector M V
(10)
Trong đó:
M: Khối lượng của protector, g.
V: Thể tích của protector, cm3.
: Tỷ trọng của hợp kim Zn, 7,1 g/cm3. Với các kích thước của protector Zn chế tạo ta có:
900 6390 6, 39 7,1 V M g kg
Khối lượng của protector Zn từ 6,3 – 6,5 Kg.
Như vậy, kích thước và khối lượng của protector Zn do đề tài chế tạo thuộc loại trung bình, thường dùng cho bảo vệ tàu thủy, đườngống ngầm, bồn xăng dầu [8]. Tuy nhiên, trong thực tế, tùy theo mục đích bảo vệ, loại vật liệu protector mà người ta có thiết kế cụ thể cho phù hợp với đối tượng bảo vệ.
4.3.4. Chế tạo mẫu phân tích tế vi
Mẫu dùng soi kim tương có đường kính 30mm, dày 12mm. Hình 4.13.
Quá trình đúc bán lỏng protector nền Zn thử nghiệm lấy mẫu để phân tích, kiểm tra được thực hiện tại phòng thí nghiệm của Trung tâm Nhiệt đới Việt Nga tại Nha Trang.
Hình 4.13. Mẫu đúc hợp kim Zn soi kim tương
4.3.5. Chế tạo mẫu đo dung lượng điện hóa
Đề tài đã chế tạo 30 mẫu hợp kim Zn theo phương pháp đúc bán lỏng có điều khiển kết tinh để đo dung lượng điện hóa. Kích thước mẫu đo dung lượng điện hóa được chế tạo theo TCVN 6024-1995: Protector Kẽm yêu cầu kỹ thuật và phương pháp thử. Mẫu có dạng hình trụ, đường kính 20mm, dài 120mm, được đúc bán lỏng từ hợp kim Zn thử nghiệm. Hình 4.14.
Hình 4.14. Mẫu đúc hợp kim Zn đo dung lượng điện hoá
4.3.6. Chế tạo mẫu protector nền Zn bán lỏng
Có nhiều loại protector kích thước khác nhau. Protector nền Zn bán lỏng do đề tài chế tạo có kích thước dài 310mm x rộng 70mm x cao 50mm. Hình 4.15.
Đề tài đã chế tạo 120 protector nền Zn theo phương pháp đúc bán lỏng có điều khiển kết tinh để tiến hành thử nghiệm thực tế trên tàu tại Nhà máy Công nghiệp tàu thủy Nha Trang (Vinashin).
Hình 4.15. Mẫu protector hợp kim Zn bán lỏng
4.4. KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH CÁC THÔNG SỐ ĐIỆN HOÁ, TỔ
CHỨC TẾ VI PROTECTOR NỀN Zn BÁN LỎNG TRONG
PHÒNG THÍ NGHIỆM
Để việc bảo vệ của protector có hiệu quả cần đạt được các tiêu chuẩn chính sau:
Điện thế bảo vệ tối thiểu là - 0,8V (so với điện cực so sánh Ag/AgCL) hoặc - 0,85V (so với điện cực so sánh Cu/CuSO4).
Sự dịch chuyển điện thế của công trình 300mV về phía âm khi có dòng bảo vệ của protector.
Như vậy, để đánh giá được hiệu quả bảo vệ của protector, cần phải xác định được điện thế bảo vệ, dung lượng, hiệu suất bảo vệ của protector.
4.4.1. Kết quả phân tích thành phần hoá học
Tiến hành phân tích trong phòng thí nghiệm bằng phương pháp quang phổ và EDX, hình 4.16, để xác định thành phần hợp kim của protector Zn kết tinh có điều khiển ta được kết quả tại bảng 4.3, 4.4.
Bảng 4.3. Thành phần hóa học mẫu protector (Phương pháp EDX)
Nguyên tố % Khối lượng % Nguyên tử
Al 2,50 1,56
Zn 97,25 97,36
Sb < 1 0,20
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 keV 002 0 150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 1500 C o u n ts O K a A lK a Z n L l Z n L a Z n K a Z n K b S n L l S n L a S n L b S n L b 2 S n L r S n L r2 ,S n L r4
Hình 4.16. Phân tích thành phần protector Zn bằng phương pháp EDX
Bảng 4.4. Thành phần hóa học mẫu protector (Phương pháp quang phổ)
Nguyên tố % Khối lượng % Nguyên tử
Al 2,50 1,56
Zn 97,25 97,36
Sb 0,25 0,20
Tổng 100 100
Thành phần của protector Zn kết tinh có điều khiển do đề tài chế tạo nằm trong khoảng hợp lý về thành phần, tương tự các protector Zn đã được chế tạo bằng phương pháp đúc nóng chảy hoàn toàn đã được sử dụng phổ biến trong thực tế.
4.4.2. Kết quả phân tích thế điện cực của các mẫu protector Zn
kết tinh có điều khiển
Từ các đồ thị 4.17; 4.18; 4.19 ta thấy protector Zn kết tinh có điều khiển có điện thế phân cực, dòng ăn mòn đạt yêu cầu về điện thế, dòng điện trong quá trình bảo vệ điện hóa. Điện thế ăn mòn âm hơn, đường tafel có độ dốc lơn hơn nên dòng điện sinh ra của protector lớn hơn [34]. Đảm bảo protector Zn có hiệu quả bảo vệ